CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報(bào)道：為了加速部署太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）于6月12日發(fā)布了全球首份光熱發(fā)電最佳實(shí)踐報(bào)告【共269頁(yè)，下載辦法見(jiàn)文末】。

NREL的研究人員分析了全球80%的光熱電站的數(shù)據(jù)和相關(guān)反饋，包括槽式光熱電站和目前仍在不斷發(fā)展的塔式光熱電站和存儲(chǔ)技術(shù)，并在報(bào)告中列出了光熱發(fā)電行業(yè)在項(xiàng)目管理、工廠設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)方面的一些重要經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

而在美國(guó)新月沙丘電站和西班牙GemaSolar電站都曾出現(xiàn)的熔鹽罐泄露問(wèn)題以及瞬態(tài)工況變化所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)等成為報(bào)告重點(diǎn)記錄和有望得到解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

熔鹽罐泄露帶來(lái)巨大損失

雖然光熱發(fā)電成本近年來(lái)實(shí)現(xiàn)了大幅下降，但基于技術(shù)高密集屬性，行業(yè)發(fā)展的同時(shí)也暴露出了一些技術(shù)問(wèn)題，而看似并不起眼的熔鹽罐成為了主角之一。

圖：光熱電站平準(zhǔn)化成本與競(jìng)拍電價(jià)變化趨勢(shì)（資料來(lái)源：國(guó)際可再生能源署2020年6月發(fā)布的《2019年可再生能源發(fā)電成本》報(bào)告）

據(jù)報(bào)告，由SolarReserve開(kāi)發(fā)、位于內(nèi)華達(dá)州的110兆瓦新月沙丘（Crescent Dunes）塔式電站的故障再次凸顯了高溫輸送流體對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響。

新月沙丘電站于2015年10月上線，但始終未能達(dá)到績(jī)效目標(biāo)，并最終導(dǎo)致工廠關(guān)閉，而2016年因熔鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)泄漏關(guān)閉了8個(gè)月的重大事故無(wú)疑是導(dǎo)致目前結(jié)果的重要原因之一。

在法庭文件中，SolarReserve指責(zé)熔鹽儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)方西班牙ACS Cobra公司要對(duì)泄露事故負(fù)責(zé)，但ACS Cobra在上個(gè)月接受媒體采訪時(shí)對(duì)該事件拒絕評(píng)價(jià)。

而位于西班牙塞維利亞的全球首座可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)發(fā)電的太陽(yáng)能電站Gemasolar光熱電站2017年也因熔鹽罐事故而導(dǎo)致停運(yùn)，最終付出了高昂的修復(fù)費(fèi)用并損失了一大筆電費(fèi)收入。

瞬態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題開(kāi)始備受投資者關(guān)注

因?yàn)槿蚴讉€(gè)百兆瓦級(jí)熔鹽塔式光熱電站——美國(guó)新月沙丘項(xiàng)目表現(xiàn)不佳，使相關(guān)投資者備受打擊，也使很多光熱電站潛在投資方開(kāi)始極其關(guān)注可配置低成本儲(chǔ)熱系統(tǒng)的高溫塔式光熱電站的效率和可靠性。

同時(shí)，熔鹽罐事故也使行業(yè)開(kāi)始更加重視熔鹽罐的設(shè)計(jì)，并逐漸將研究觸角延伸至瞬態(tài)工況變化和工作溫度變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)熔鹽罐等裝備所帶來(lái)的損壞。

NREL報(bào)告顯示，塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)較高的工作溫度提升了儲(chǔ)存效率，但也為電站操作帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)，尤其是由間歇性日照或快速啟停要求導(dǎo)致的“瞬態(tài)”工況變化是運(yùn)營(yíng)商面臨的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)。

”瞬態(tài)工況變化+高運(yùn)行溫度“極易引起系統(tǒng)工作溫度波動(dòng)，而大溫差的波動(dòng)則會(huì)影響組件性能甚至使相關(guān)裝備出現(xiàn)故障，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

相關(guān)專(zhuān)家表示，在光熱電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段，運(yùn)營(yíng)商必須更加關(guān)注瞬態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以避免組件損壞和輸出損失。

摩洛哥Noor3塔式電站的經(jīng)驗(yàn)分享

最近，光熱業(yè)界的注意力又轉(zhuǎn)向了ACWA Power在摩洛哥開(kāi)發(fā)的Noor3塔式電站，該項(xiàng)目也是第二座利用熔鹽儲(chǔ)存設(shè)施建造的大型商業(yè)化塔式光熱項(xiàng)目。該電站由西班牙SENER公司和中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第三工程有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，于2018年夏季正式并網(wǎng)。

據(jù)ACWA Power在2019年發(fā)布的報(bào)告顯示，在投入運(yùn)營(yíng)的前六個(gè)月，Noor3曾因一些意外問(wèn)題而下線，但整體表現(xiàn)出令人鼓舞的性能水平，發(fā)電量超過(guò)200GWh。

而據(jù)來(lái)自SENER的技術(shù)專(zhuān)家Sergio Relloso Lassa介紹，Noor3熱鹽罐結(jié)構(gòu)具有“最先進(jìn)的”基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，并從SENER早期開(kāi)發(fā)的GemaSolar塔式光熱電站吸取了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

Relloso指出，熔鹽儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)必須深入了解熔鹽的性狀、運(yùn)行時(shí)的變化過(guò)程以及當(dāng)?shù)氐牡孛嫣卣鳎⑻貏e注意底板的焊接。而成功的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)在565℃工況下裝滿(mǎn)熔鹽的儲(chǔ)罐能夠被完美承載，同時(shí)又不會(huì)向基礎(chǔ)傳遞過(guò)大的應(yīng)力，此外還要在在施工、調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中遵循正確的程序。

未來(lái)熔鹽儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體思路有哪些？

許多專(zhuān)家在接受海外媒體采訪時(shí)紛紛表示，對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)風(fēng)險(xiǎn)了解的不斷加深正在推動(dòng)熔鹽罐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，未來(lái)新建光熱電站在設(shè)計(jì)時(shí)有望進(jìn)一步修改和優(yōu)化以提升系統(tǒng)效率及穩(wěn)定性。

NREL最佳實(shí)踐報(bào)告的編寫(xiě)人員之一、來(lái)自Solar Dynamics的高級(jí)工程師Bruce Kelly表示，正確的設(shè)計(jì)和控制可以緩解瞬態(tài)條件的影響，但是熱儲(chǔ)槽和冷儲(chǔ)槽以及換熱器的設(shè)計(jì)需要得到進(jìn)一步改進(jìn)。

談到如何優(yōu)化，Bruce Kelly表示，一些工程公司正在提議為儲(chǔ)罐安裝新的內(nèi)部管道系統(tǒng)。

此外，他又補(bǔ)充提到了如下思路：

1）罐底和地基之間的固體潤(rùn)滑劑也可以改進(jìn)，以控制由于不完全混合造成的地板中的局部應(yīng)力。

2）換熱器應(yīng)該通過(guò)全焊接施工技術(shù)來(lái)建造，比如集管/盤(pán)管或內(nèi)孔焊接，以避免管道和管板之間的連接出現(xiàn)問(wèn)題。據(jù)Bruce Kelly介紹，迄今為止，只有“有限數(shù)量”的商業(yè)項(xiàng)目使用了全焊接蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)。

3）采用多個(gè)閥門(mén)的分流范圍流量控制也有助于減少部件疲勞。在拋物線槽式電站中，多閥方法可對(duì)更廣泛的流量要求進(jìn)行更好的控制。Bruce Kelly指出，采用分程閥的精確流量控制可保護(hù)昂貴的設(shè)備，如熱交換器，并在電站啟停過(guò)程中免受較大的瞬態(tài)影響，而疲勞換熱器壽命的提高將可以抵消新增閥門(mén)所帶來(lái)的邊際成本。

應(yīng)對(duì)瞬態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的思路和經(jīng)驗(yàn)

從全系統(tǒng)層面如何應(yīng)對(duì)間歇性云層、系統(tǒng)啟停等原因引起的瞬態(tài)風(fēng)險(xiǎn)？相關(guān)專(zhuān)家也根據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了一系列具體措施和設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。

1）設(shè)置合理的設(shè)計(jì)工作溫度

間歇性云層要求塔式光熱電站操作員不斷調(diào)整接收器流量，以適應(yīng)從定日鏡傳輸?shù)奶?yáng)能水平的變化。

為實(shí)現(xiàn)最佳效率，接收器的設(shè)計(jì)工作溫度為565℃。為防止接收器因太陽(yáng)輻射突然增加而過(guò)熱，傳熱流體的出口溫度通常降低至520℃至540℃左右，但較低的溫度也會(huì)降低功率塊的效率。

據(jù)悉，已經(jīng)投運(yùn)的中國(guó)中控德令哈50MW塔式光熱電站便采用了防云層沖擊系統(tǒng)以提高電站效率，從該電站的具體表現(xiàn)來(lái)看效果極佳。

圖：中控德令哈電站性能考核期前6個(gè)月發(fā)電量數(shù)據(jù)與達(dá)成率（來(lái)源：中控太陽(yáng)能）

Bruce Kelly表示：“理想情況下，光熱電站的設(shè)計(jì)溫度并不是理論上的565℃，而是更低一點(diǎn)的溫度（比如540攝氏度），這反映了熱熔鹽罐中的長(zhǎng)期年平均溫度?！?/p>

2）開(kāi)發(fā)性能模擬工具

此外，間歇式日照也會(huì)影響工廠的正常啟動(dòng)效率。

在早上啟動(dòng)時(shí)，接收器的預(yù)熱、填充和排氣可能需要45分鐘。Bruce Kelly表示，如果太陽(yáng)輻射在日出后不久發(fā)生變化，啟動(dòng)過(guò)程就會(huì)延長(zhǎng)，并最終減少系統(tǒng)當(dāng)天的工作時(shí)間。

Relloso表示，SENER通過(guò)利用Gemasolar電站的經(jīng)驗(yàn)，在Noor3項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了更快的性能提升過(guò)程。

據(jù)悉，春夏期間，Noor3塔式電站必須在午夜停止運(yùn)行，并在早晨重新啟動(dòng)。他說(shuō)：“這意味著每年的這段時(shí)間電站要每天增加一次啟動(dòng)，這在工廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行中都必須考慮?！?/p>

為此，SENER開(kāi)發(fā)了一個(gè)性能模擬工具，該工具考慮了所有類(lèi)型的瞬態(tài)條件，包括云層覆蓋、接收器啟停、渦輪機(jī)啟停以及電網(wǎng)指令等。Relloso表示，該系統(tǒng)使用傳感器來(lái)進(jìn)行分析，并實(shí)現(xiàn)更高水平的效率。

3）全面操作培訓(xùn)

此外，SENER選擇將部分Gemasolar電站的運(yùn)維人員調(diào)到Noor3項(xiàng)目，以確保已有的成熟經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驇?lái)幫助。

Bruce Kelly認(rèn)為，全面的操作員培訓(xùn)是減少損失的關(guān)鍵。他說(shuō)：“關(guān)于熱瞬變對(duì)設(shè)備造成的風(fēng)險(xiǎn)的培訓(xùn)，再加上分布式控制系統(tǒng)邏輯的許可，將直接轉(zhuǎn)化為熔鹽儲(chǔ)罐和蒸汽發(fā)生器低疲勞壽命的良性結(jié)果?！?/p>

4）結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行性能建模

隨著塔式光熱系統(tǒng)裝機(jī)容量的不斷增加，性能建模必須結(jié)合瞬態(tài)條件的最新經(jīng)驗(yàn)，以避免對(duì)輸出的高估。

Bruce Kelly表示，“一般來(lái)說(shuō)，性能模型往往會(huì)高估光熱電站的發(fā)電能力，以及操作員捕捉落在定日鏡場(chǎng)上的每一焦耳能量的能力?！彼a(bǔ)充道，要以最低限度的財(cái)務(wù)預(yù)測(cè)為出發(fā)點(diǎn)。

Bruce Kelly指出，先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)模型和有限元分析應(yīng)能更好地理解部件疲勞。他說(shuō)：“一旦了解了瞬態(tài)效應(yīng)的嚴(yán)重程度，就可以實(shí)施改進(jìn)的設(shè)備設(shè)計(jì)（如儲(chǔ)罐分配管道）和改進(jìn)的工藝控制（如分流段流量控制），以適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)設(shè)備免受高應(yīng)力條件的影響?！?/p>

對(duì)于未來(lái)，Bruce Kelly非常樂(lè)觀，他表示，通過(guò)結(jié)合實(shí)戰(zhàn)得來(lái)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)有針對(duì)性地改進(jìn)塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將有助于延長(zhǎng)使用壽命。未來(lái)幾年，在Noor3等項(xiàng)目更廣泛地實(shí)施最佳實(shí)踐和成功運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)之后，將有助于提高投資者對(duì)塔式光熱發(fā)電技術(shù)的信心。

Relloso也表示，SENER也有信心在光熱電站設(shè)計(jì)時(shí)將瞬態(tài)工況帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，并已經(jīng)開(kāi)始了在降低太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)成本、提高電廠數(shù)字化程度以及在集成光伏、電池儲(chǔ)存或制氫的混合發(fā)電項(xiàng)目如何優(yōu)化節(jié)省效率等方向的研究。

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